La neuro-imagerie capture quatre étapes cachées de la résolution de problèmes

Source: Alex Oakenman / Shutterstock

La résolution de problèmes est un aspect fondamental de nos processus de pensée quotidiens qui implique l'identification, l'encodage et la mise en forme d'un problème donné. Chaque fois que vous n'êtes pas sûr de la meilleure façon de procéder afin d'atteindre un objectif ou un résultat souhaité … il faut que vous résolviez le problème. Mais, quelles sont les étapes exactes impliquées dans la résolution de problèmes?

Les chercheurs de l'Université Carnegie Mellon (CMU) utilisent une technologie de neuro-imagerie de pointe pour faire progresser notre compréhension des étapes mentales spécifiques que les gens traversent lorsqu'ils réfléchissent à la résolution d'un problème.

Afin de faire progresser le domaine de la théorie cognitive, il est important que les chercheurs aient la capacité de déconstruire la performance d'une tâche cognitive spécifique dans ses étapes mentales les plus importantes et distinctes. La nouvelle étude d'imagerie cérébrale de la CMU identifie quatre étapes distinctes que l'esprit de quelqu'un traverse quand il ou elle est la résolution de problèmes.

L'étude de juillet 2016, «Les étapes cachées de la cognition révélées dans les modèles d'activation cérébrale», apparaît dans la revue Psychological Science .

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Pour cette étude, John Anderson et ses collègues de la CMU ont combiné deux stratégies analytiques avec des données d'imagerie cérébrale IRMf pour identifier les étapes mentales spécifiques que les gens traversent en temps réel alors qu'ils luttaient pour résoudre un problème mathématique difficile. Plus spécifiquement, la méthode combine l'analyse de modèles multi-voxels (MVPA) pour identifier les stades cognitifs et les modèles semi-markoviens cachés pour identifier leurs durées.

Anderson s'intéresse au tracé d'une chronologie qui cartographie le cours des données d'imagerie cérébrale en temps réel pour obtenir des informations sur ce qui se passe «sous le capot» d'un moment à l'autre alors que les gens exécutent des tâches complexes de résolution de problèmes.

Anderson et ses collègues ont identifié quatre étapes distinctes de la cognition impliquées dans la résolution d'un problème: l'encodage, la planification, la résolution et la réponse. L'objectif de la recherche d'Anderson est de mieux comprendre la structure de la cognition de niveau supérieur en déconstruisant comment les gens résolvent les problèmes mathématiques. Son équipe se concentre sur les «théories unifiées de la cognition», une architecture cognitive qui couvre un large éventail de tâches de réflexion.

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Quatre étapes de la résolution de problèmes par Anderson et al.

1. Codage
2. Planification
3. Résoudre
4. Répondre

Comme on pouvait s'y attendre, une fois que les différents aspects de la résolution d'un problème mathématique sont encodés, les chercheurs ont noté que l'étape de planification a tendance à être plus longue si le problème nécessite plus de planification. Et, l'étape de résolution a tendance à être plus longue lorsque la solution est plus difficile à exécuter.

Le but ultime de cette étude était d'identifier si les manipulations avaient des effets spécifiques sur les durées des différentes étapes de la résolution de problèmes. Déterminer la durée de ces durées a permis aux chercheurs de cartographier directement les étapes réelles de la cognition impliquées dans la résolution d'un problème mathématique spécifique.

La résolution de problèmes grâce à l'essai et à l'erreur reconfigure le cortex orbitofrontal (OFC)

Orbitofrontal Cortex (OFC) en vert.

Source: Paul Wicks / Domaine Publique

Ces résultats concordent avec la recherche sur la résolution de problèmes par des neuroscientifiques de l'Université de Californie à Berkeley, qui ont capturé des images cérébrales de l'apprentissage actif en temps réel en photographiant le cerveau de souris en apprenant à résoudre des problèmes par essais et erreurs.

L'étude de mars 2016, «L'apprentissage des règles améliore la plasticité structurale des axones à longue portée dans le cortex frontal», a été publiée dans la revue Nature Communications .

En utilisant des techniques de microscopie avancées, les chercheurs de Berkeley ont réalisé des films accélérés qui illustrent comment une souris apprend activement une nouvelle stratégie pour trouver des friandises cachées pendant une tâche de recherche de nourriture. Les films montrent resculpting dramatique dans la région du cortex orbitofrontal (OFC) des lobes frontaux pendant l'essai et l'erreur des tâches de résolution de problèmes.

Pour cette étude, les souris ont effectué les tâches de recherche de nourriture le matin, et ont eu leurs changements de cerveau enregistrés dans l'après-midi. Utilisant une technologie avancée de neuroimagerie appelée microscopie à balayage laser à 2 photons, les chercheurs ont pris des photos de la croissance et de l'élagage dans les circuits cérébraux des axones à longue portée. Ces axones sont des conduits pour les signaux électriques qui relient les neurones dans les lobes frontaux.

Fait intéressant, les souris qui ont reçu Cheerios automatiquement sans avoir à naviguer, apprendre de nouvelles règles, et les traquer, n'a pas montré une légère augmentation significative dans le remodelage du circuit cérébral. Inversement, les souris qui ont dû trouver de nouvelles règles au quotidien par la résolution de problèmes ont montré des changements dramatiques dans le câblage neuronal qui diffuse de l'information à partir du cortex orbitofrontal. Il est fascinant que l'acte de «chasser et cueillir» un Cheerio ait joué un rôle fondamental dans l'optimisation de la connectivité fonctionnelle des lobes frontaux.

Conclusion: Neuroimaging fournit une fenêtre dans le fonctionnement interne de nos esprits

Les chercheurs de la CMU sont optimistes qu'un jour, dans un proche avenir, leurs résultats pourraient être appliqués pour améliorer la conception de méthodes d'éducation plus efficaces. Les connaissances acquises à partir de ce type de recherche pourraient également être utilisées pour aider les élèves à étendre leurs connaissances cristallisées au-delà de la tâche à accomplir de manière à exploiter leur intelligence fluide et leur flexibilité cognitive. Dans une déclaration, Anderson a conclu,

«La façon dont les élèves résolvaient ce genre de problèmes était un mystère total pour nous jusqu'à ce que nous appliquions ces techniques. Maintenant, quand les étudiants sont assis là à réfléchir, nous pouvons dire ce qu'ils pensent chaque seconde. "

Ces études s'ajoutent à une quantité croissante de recherches qui utilisent la neuro-imagerie pour nous aider à mieux comprendre les processus séquentiels de la cognition et de la pensée. Alors que la recherche en neuro-imagerie a fourni une fenêtre sur divers aspects de la cognition dans le passé, elle est restée énigmatique quant à la manière dont toutes les pièces de ce puzzle s'emboîtent pour créer un ensemble cohérent. Tout cela change rapidement avec les progrès de la technologie de neuro-imagerie. Restez à l'écoute pour plus d'avancées sur ce sujet passionnant!

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